雙螺桿擠出機(jī)塑化系統(tǒng)電磁加熱過程的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究及應(yīng)用

陳 浩，楊衛(wèi)民，尋尚倫，張海濤，焦志偉*

（1. 北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2. 深圳塑能節(jié)能裝備有限公司，廣東 深圳 518118）

0 前言

在工業(yè)生產(chǎn)中，對于高分子化合物的加工過程，擠出機(jī)作為一種主要的加工設(shè)備被廣泛應(yīng)用。螺桿塑化系統(tǒng)是熱塑性聚合物加工的基本裝置，被廣泛應(yīng)用于注射成型、擠出成型等生產(chǎn)過程［1?2］。傳統(tǒng)的單螺桿擠出機(jī)雖然具有較為簡單的結(jié)構(gòu)和操作方式，但是卻存在加熱速度慢、加熱精度低、效率低等問題，限制了其更為廣泛的應(yīng)用。雙螺桿擠出機(jī)的出現(xiàn)，能夠更好地滿足高分子化合物加工中的加熱需求，具有更快的加熱速度和更高的溫度精度，但是其塑化系統(tǒng)仍然大都采用傳統(tǒng)電阻絲加熱，不僅加熱效率低能耗高，阻礙了生產(chǎn)效率的提高，而且表面溫度很高，導(dǎo)致車間較高的環(huán)境溫度。不僅如此，冷喂料擠出機(jī)對于溫度的要求非常高，很容易出現(xiàn)生產(chǎn)能力與螺桿轉(zhuǎn)速不成正比的現(xiàn)象，歸根結(jié)底還是加溫不足以及溫度不均勻等問題［3］。

基于上述問題，本文選取雙螺桿擠出機(jī)機(jī)筒作為研究對象，基于電磁熱和熱傳導(dǎo)理論建立幾何模型和數(shù)學(xué)模型，使用comsol 有限元軟件分析了機(jī)筒磁通量變化以及溫度均勻性；并建立實(shí)驗(yàn)平臺對比驗(yàn)證了電磁加熱與鑄銅加熱性能情況，得到了機(jī)筒內(nèi)壁溫度均勻性、機(jī)筒法蘭溫度均勻性、用電量以及電磁輻射安全性等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對加熱機(jī)理和特點(diǎn)進(jìn)一步分析，表明了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，確定了實(shí)驗(yàn)方案的可行性。因此，本研究能夠優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，具有重要的研究背景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 理論模擬指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)

1.1 雙螺桿擠出機(jī)加熱系統(tǒng)

1.1.1 傳統(tǒng)加熱方式

擠出機(jī)的擠出能力與加熱系統(tǒng)有著直接的關(guān)系，目前市面上最普遍使用的加熱方式為電阻絲、電加熱管、加熱棒以及紅外線加熱等。電阻絲加熱圈價(jià)格相對低廉，但是能耗大，熱效率低，產(chǎn)生的大部分熱量消耗至車間環(huán)境，導(dǎo)致設(shè)備表面溫度高，安全性能差，對擠出設(shè)備損傷較大。電加熱管加熱速度慢，不穩(wěn)定，容易造成熱量不均勻，影響產(chǎn)品質(zhì)量；導(dǎo)熱油加熱需要較長的升溫時(shí)間，同時(shí)需要進(jìn)行電加熱和傳熱兩個(gè)過程，能耗較高且易產(chǎn)生污染，對環(huán)境造成不良影響，對于低熔點(diǎn)材料的加熱效果不佳，易導(dǎo)致材料退變和變質(zhì)。加熱棒加熱面積較小，加熱效率低，從而降低了擠出機(jī)的生產(chǎn)效率，而且大部分結(jié)構(gòu)只在一側(cè)進(jìn)行加熱，容易出現(xiàn)加熱不均勻的現(xiàn)象，使產(chǎn)品的質(zhì)量無法得到保證，需要消耗大量的電能來維持加熱溫度［4?5］。總之，傳統(tǒng)的加熱方式在加熱效率、加熱均勻性和能耗方面存在較大的缺陷，這是加熱方式的特點(diǎn)決定的，也是難以突破的技術(shù)瓶頸。另外，紅外線加熱圈雖然熱效率有所提高，但其價(jià)格高昂，且發(fā)熱圈中的石英管極易損壞，使用壽命短，維修成本高，如遇擠出機(jī)設(shè)備發(fā)生漏膠現(xiàn)象時(shí)，極其容易發(fā)生火災(zāi)，引發(fā)安全事故。另外紅外線加熱是一種非接觸性加熱方式，因此只能對暴露在光源前的表面進(jìn)行有效加熱。由于紅外線加熱需要使用特殊的設(shè)備，其成本比傳統(tǒng)加熱方式更高［6］。對于精確的溫度控制要求比較高的場合，需要根據(jù)不同材料形態(tài)、大小進(jìn)行調(diào)整和控制才能保證工業(yè)效果的穩(wěn)定性。

1.1.2 電磁加熱方式

電磁加熱圈與以上幾種加熱方式有著根本性區(qū)別，不僅升溫的速度更快，溫度分布更加均勻，而且加熱圈本身不需要發(fā)熱，使設(shè)備擁有較低表面溫度，極大地提升了加熱圈的熱效率和安全；同時(shí)，特殊的制備材料使其具備更長的使用壽命，在價(jià)格上也比同規(guī)格的紅外線加熱圈更加經(jīng)濟(jì)。電磁加熱技術(shù)作為一種新興的加熱方式，還可以通過變頻調(diào)節(jié)使控溫精度更準(zhǔn)，具有更高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景［7?10］。

電磁加熱利用交變電磁場在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使導(dǎo)體發(fā)生熱效應(yīng)的方法，當(dāng)加熱線圈中通入交變的電流時(shí)，在空間中會產(chǎn)生垂直于電流方向的交變磁場，這個(gè)磁場與線圈形狀和電流大小、頻率有著密切的聯(lián)系，當(dāng)交變的磁場穿過機(jī)筒時(shí)，會在導(dǎo)體內(nèi)感生出相同頻率相反方向的感應(yīng)電動(dòng)勢，表達(dá)式如式（1）所示。

式中e——感應(yīng)電動(dòng)勢，V

由于感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生的方向與磁通變化方向相反，因此表達(dá)式前需加入負(fù)號。若磁通中以正弦規(guī)律條件下變化，可由式（2）表示：

結(jié)合式（1）和式（2）得：

感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值為：

若金屬導(dǎo)體內(nèi)有感應(yīng)電動(dòng)勢存在則會產(chǎn)生感應(yīng)電流，即渦流，渦流在導(dǎo)體內(nèi)形成閉合回路，根據(jù)電流熱效應(yīng)使金屬導(dǎo)體發(fā)熱。整個(gè)過程產(chǎn)生的熱量為：

目前，電磁加熱技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如金屬加工、食品加工、化學(xué)反應(yīng)、醫(yī)療設(shè)備等［11?12］。其中在塑料擠出機(jī)行業(yè)中的應(yīng)用越來越受到重視。因此，在雙螺桿擠出機(jī)中采用電磁加熱技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。為此，本文基于雙螺桿擠出機(jī)塑化加熱系統(tǒng)的電磁加熱性能進(jìn)行了深入研究。

1.2 有限元分析

1.2.1 幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

電磁加熱的核心在于線圈分布，而且電磁線圈的表示方法對于comsol模擬起著極其重要的作用。真實(shí)的線圈纏繞結(jié)構(gòu)會極大地增加建模難度，而且需要?jiǎng)澐謽O細(xì)的網(wǎng)格，很大程度上增加網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算時(shí)間，另外線圈自身為圓形結(jié)構(gòu)，它們之間會形成較小的間隙，這些間隙導(dǎo)致產(chǎn)生許多細(xì)小的空氣域，不利于劃分均勻優(yōu)良的網(wǎng)格，很有可能出現(xiàn)與實(shí)際線圈匝數(shù)和長度不符的現(xiàn)象。為了降低計(jì)算量，忽略相鄰兩根導(dǎo)線之間的間隙，簡化線圈為一體式結(jié)構(gòu)，纏繞方向?yàn)轫槙r(shí)針，并且在機(jī)筒和法蘭交界處折彎90 °，可以對機(jī)筒主體部位和法蘭同步加熱；另外還需要去除機(jī)筒圓角、倒角以及難以劃分網(wǎng)格的細(xì)小結(jié)構(gòu)，簡化模型如圖1所示。

圖1 機(jī)筒和線圈簡化幾何模型Fig.1 Simplified geometric model of the barrel and coil

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量決定著模擬的精度，不同結(jié)構(gòu)需要?jiǎng)澐植煌鹊木W(wǎng)格，線圈模擬需要更高的精度要求，所以需要?jiǎng)澐謽O細(xì)網(wǎng)格，機(jī)筒劃分微細(xì)網(wǎng)格，空氣域劃分一般網(wǎng)格即可，最終劃分網(wǎng)格總數(shù)量326 488個(gè)，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 機(jī)筒和線圈網(wǎng)格劃分Fig.2 Barrel and coil meshing

1.2.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

本模擬用到了COMSOL 軟件中的電磁感應(yīng)加熱耦合場，包括磁場、電磁熱和傳熱3 部分。為分析熱板加熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布，選取研究場為穩(wěn)態(tài)場。本研究電磁感應(yīng)線圈符合麥克斯韋方程組，在頻域?穩(wěn)態(tài)的情況下滿足以下方程：

式中E——電場強(qiáng)度，V/m2

J——電流密度，A/m2

?——哈密頓算子

A——矢量磁位，Wb/m

ω——角速度，rad/s

H——磁場強(qiáng)度，A/m

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，N/A?m

D——電位移量，C/m2

σ——電導(dǎo)率，S/m線圈產(chǎn)生的磁場本構(gòu)關(guān)系（B?H）滿足以下方程：

線圈產(chǎn)生的電場本構(gòu)關(guān)系（D?E）滿足以下方程：

其中涉及的μr、εr來自于材料。

電磁感應(yīng)加熱過程中分為電磁熱和傳導(dǎo)熱，在正常磁場產(chǎn)生的渦流范圍內(nèi)為電磁熱，超出該范圍的為傳導(dǎo)熱，因此在頻域?穩(wěn)態(tài)帶內(nèi)，電磁熱符合以下方程：

式中ρ——材料密度，kg/m3

Cp——材料比熱容，J/kg?m

U——微元溫度，K

?T——單位時(shí)間，s

K——傳熱系數(shù)，W/m2?K

Re——電阻，Ω

i——電流，A

q——單位體積熱傳導(dǎo)功率，W/m3

Qe、Qrh、Qml——熱源項(xiàng)

軟件默認(rèn)空間為真空域，需要人為設(shè)定一定體積的空氣域，穩(wěn)態(tài)情況下空氣域溫度為20 ℃，則熱板表面對環(huán)境輻射符合以下方程：

式中q——輻射熱通量

ε——輻射系數(shù)

σ——斯特藩?玻爾茲曼常數(shù)

T——絕對溫度，K

1.2.3 模擬結(jié)果與分析

電磁加熱技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)有效地將物體加熱到所需溫度，相比傳統(tǒng)的加熱方式，具有更高的效率和更精確的控制能力。通過數(shù)值模擬研究現(xiàn)有線圈結(jié)構(gòu)機(jī)筒表面及法蘭的磁通量密度分布情況，從而對機(jī)筒整體溫度均勻性進(jìn)行詳細(xì)的分析。

COMSOL 電磁加熱仿真中，磁通量密度較為直觀地反映了磁力線的疏密程度，是衡量結(jié)果好壞的重要參數(shù)之一，其大小和分布會對加熱效果產(chǎn)生很大的影響，磁通密度分布如圖3所示。

圖3 機(jī)筒磁通密度示意圖Fig.3 Schematic diagram of the magnetic flux density of the barrel

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在一定的頻率情況下產(chǎn)生渦流的大小與磁通量的大小和分布有關(guān)。工件表面的磁通密度反映了單位面積通過的磁通量的多少，因此觀察磁通密度多切面以及等值面可以更清楚地得到渦流的分布情況和大小。圖3模擬的磁通密度可以看出，由于機(jī)筒4 個(gè)線圈串聯(lián)加熱4 個(gè)平面，線圈覆蓋的地方磁場分布比較均勻，而且在相鄰線圈交界處也存在較為均勻的磁場，說明兩線圈電流相反，產(chǎn)生相同的磁場，在兩線圈交界處磁場得到加強(qiáng)；另外從磁通密度等值面可以看出，機(jī)筒主體部位與法蘭基本一致，既可以保證預(yù)熱階段快速升溫，還保證更高的溫度均勻性。

雙螺桿機(jī)筒內(nèi)部的溫度均勻性直接影響到塑料的熔化和混合效果。如果溫度不均勻，部分塑料可能會熔化不充分，導(dǎo)致塑料的流動(dòng)性變差，進(jìn)而影響擠出加工的質(zhì)量和效率。機(jī)筒螺桿的熱量來源于電磁熱和傳導(dǎo)熱，需要考慮多種因素，如機(jī)筒材料的導(dǎo)磁率、熱導(dǎo)率、熱傳遞系數(shù)、保溫措施等。電磁熱的加熱深度為渦流深度，主要由加熱頻率決定；超過該深度范圍只能靠熱傳遞為螺桿提高能量，為此，得到機(jī)筒頻域?穩(wěn)態(tài)溫度如圖4所示。

圖4 溫度示意圖Fig.4 Temperature diagram

從機(jī)筒等值面示意圖可以看出，溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別分布在機(jī)筒相鄰兩線圈交界處以及法蘭邊角處，對整體擠出效果影響微乎其微，也驗(yàn)證了磁通密度以及磁場分布的準(zhǔn)確性；反觀多切面可知，機(jī)筒內(nèi)部以及法蘭交界處溫差在±1℃以內(nèi)，與磁通量密度相吻合，更好地控制塑料的熔化和流動(dòng)過程，確保塑料在機(jī)筒內(nèi)更好加熱效果，降低螺桿扭矩，提高產(chǎn)能。

通過comsol 仿真模擬過程分析，為后續(xù)試驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要設(shè)備及儀器

電磁加熱器、CG?65，深圳塑能節(jié)能裝備有限公司；

65 雙螺桿擠出機(jī)機(jī)筒，KFT?65，南京創(chuàng)博機(jī)械設(shè)備有限公司；

鑄銅加熱器；

數(shù)顯智能溫控器，REX?C100，市售；

多路溫度記錄儀，MT500X/P，深華軒科技有限公司；

玻璃纖維外皮熱電偶測溫線，MT?X，深華軒科技有限公司；

電磁輻射測量儀，GM3120，杭州旭堯萬業(yè)科技有限公司。

2.2 熱電偶測溫點(diǎn)分布

將測溫線布置在機(jī)筒中心部分的上、下、兩側(cè)壁3處，另外離機(jī)筒法蘭端面向內(nèi)20 mm 處布置在機(jī)筒上、下、兩側(cè)壁3 處；另外在每個(gè)機(jī)筒法蘭上分別分布3 個(gè)測溫點(diǎn)，一共有12個(gè)具體分布情況如下圖所示，一方面是為了測量機(jī)筒內(nèi)部多個(gè)點(diǎn)的溫度分布情況，另一方面探究電磁加熱能否直接加熱法蘭，使得整體溫度均勻性得到提升。

圖5 機(jī)筒和法蘭測溫點(diǎn)分布Fig.5 Distribution of barrel and flange temperature measurement points

2.3 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

對比實(shí)驗(yàn)分為兩部分，一部分是鑄銅加熱器實(shí)驗(yàn)，另一部分是電磁加熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程如下。

（1）鑄銅加熱器安裝至機(jī)筒上，加熱功率為7.4 kW，溫控器設(shè)置為300 ℃，使機(jī)筒從室溫加熱2 h，記錄測溫點(diǎn)和用電量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）待機(jī)筒完全冷卻至室溫，將電磁加熱器安裝至機(jī)筒上，滿功率為8 kW，為了與鑄銅加熱器保持相同的加熱功率，使用信號放大器調(diào)整功率為7.4 kW，溫控器同樣設(shè)置為300 ℃，加熱2 h，記錄測溫點(diǎn)和用電量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（3）以GB 8702—2014 為測量依據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算理論磁感應(yīng)強(qiáng)度控制限值為0.8 μT 以下。在正常加溫過程中，添加防輻射材料與未添加防輻射材料的情況下，分別測量10、20、30、40、50 cm 處的電磁輻射強(qiáng)度。

圖6 性能測試實(shí)驗(yàn)Fig.6 Performance test experiments

3 結(jié)果與討論

3.1 機(jī)筒內(nèi)壁溫度

雙螺桿機(jī)筒溫度均勻性對于擠出物有至關(guān)重要的作用。本實(shí)驗(yàn)主要研究了電磁加熱在機(jī)筒內(nèi)壁的溫度均勻性，機(jī)筒內(nèi)表面的6 個(gè)測溫點(diǎn)溫度結(jié)果如圖7所示。

圖7 機(jī)筒溫度記錄結(jié)果Fig.7 Barrel temperature recording results

綜合6個(gè)測溫點(diǎn)的溫度分析，由于電磁加熱具有能量集中和加熱速度快等優(yōu)勢，相比于鑄銅加熱器使機(jī)筒預(yù)熱時(shí)間縮短25 %左右，控溫精度更高，主要從兩個(gè)方面分析原因，一方面是電磁加熱加熱中心在機(jī)筒內(nèi)部，電磁熱和傳導(dǎo)熱共同發(fā)揮作用；另一方面是電磁控制器使用電流斜率加熱，實(shí)現(xiàn)等比例按需輸出，防止超溫和欠溫現(xiàn)象。

電磁熱的厚度與加熱頻率和產(chǎn)生渦流的深度有關(guān)。由于感應(yīng)加熱電源為交流電源，通入的電流頻率越高，導(dǎo)體表面流動(dòng)的感應(yīng)電流就越強(qiáng)。當(dāng)電流靠近中心時(shí)，感應(yīng)電流密度由導(dǎo)體外表面向中心處以冪指數(shù)速率遞減，這種電流集中分布在導(dǎo)體表面的現(xiàn)象被稱為集膚效應(yīng)［13］，其電流密度和導(dǎo)體厚度的分布規(guī)律如式（17）所示。感應(yīng)加熱過程中，若以i0表示導(dǎo)體橫截面的電流密度，則導(dǎo)體徑向電流密度i0與導(dǎo)體集膚深度ix的關(guān)系可表示為：

式中ix——到導(dǎo)體表面深度為x處的電流密度，A m2

那么集膚層深度δ的計(jì)算公式：

式中f——交流電頻率，Hz

μ——磁導(dǎo)率，H/m

σ——電導(dǎo)率，S/m

雙螺桿機(jī)筒基材為38CrMoAl，代入式（18）推算出肌膚層深度大約為20 mm。由于線圈與機(jī)筒存在5~10 mm間隙，因此肌膚f層深度為15 mm。當(dāng)x=δ=15 mm時(shí)，所以電磁加熱的加熱中心相較鑄銅加熱使加熱重心向內(nèi)部遷移15 mm，而且根據(jù)式（17）推算出電流密度為36.7 %，減少因熱傳導(dǎo)造成的熱損失，提高預(yù)熱時(shí)間。

另外溫度控制更加均勻取決于斜率按需加熱和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）調(diào)節(jié)，不同于傳統(tǒng)通斷加熱方式。IGBT 作為功率調(diào)節(jié)元件，比較容易實(shí)現(xiàn)電源大功率化［14?16］，保證在高頻率高功率的情況下有更高的開關(guān)效率，實(shí)現(xiàn)頻繁升溫和補(bǔ)溫智能調(diào)節(jié)，如圖8所示。因此有效避免因溫度不均導(dǎo)致熔融原料性能下降；還可以有效減少通水電磁閥的開啟頻率，防止超溫造成能量浪費(fèi)。

圖8 IGBT等效電路Fig.8 IGBT equivalent circuit

3.2 法蘭表面溫度

另外本實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了電磁加熱對法蘭部分具有更好的溫度均勻性，法蘭表面測溫點(diǎn)結(jié)果如圖9所示。

對比圖7 和圖9 數(shù)據(jù)可知，鑄銅加熱器加熱的機(jī)筒內(nèi)壁與法蘭存在50℃的溫差，說明其只能對機(jī)筒主體部位加熱，法蘭只能靠熱傳遞提供熱量，而且離加熱中心越遠(yuǎn)溫差越大，因此整個(gè)機(jī)筒呈現(xiàn)溫度忽高忽低的現(xiàn)象，尤其增大螺桿混煉區(qū)扭矩，長時(shí)間導(dǎo)致螺桿扭斷，還會使主機(jī)電流增大，用電量也隨之增加。

為了解決上述問題，電磁加熱可以通過合理調(diào)整線圈分布直接對法蘭加熱，實(shí)現(xiàn)機(jī)筒整體加熱，加熱重心向內(nèi)遷移15mm，使熔融材料受熱更加均勻，提高加工材料的性能。

3.3 用電量

機(jī)筒加熱前0.5 h為預(yù)熱階段，測量預(yù)熱用電量；繼續(xù)測量2 h正常加熱用電量，分別記錄數(shù)據(jù)如圖10示。

圖10 耗電量測試Fig.10 Power consumption test

結(jié)果表明，電磁加熱器預(yù)熱階段的用電量相比于鑄銅加熱器減少40 %，正常加熱階段用電量減少50 %。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有以下幾個(gè)方面：

鑄銅加熱是利用機(jī)筒與加熱器的溫度差進(jìn)行熱傳導(dǎo)提供能量，熱傳導(dǎo)發(fā)生于機(jī)筒表面，造成大量能量浪費(fèi)，使真正用于加熱的有效能量大大降低。其次，鑄銅加熱器比熱容較大，存儲大量的熱量。當(dāng)鑄銅加熱器與機(jī)筒溫度接近平衡時(shí)，因自身存儲的大量熱量仍然會對機(jī)筒進(jìn)行加熱，使機(jī)筒超溫，所以必須通水降溫，浪費(fèi)很大一部分熱量。

式中K——導(dǎo)熱系數(shù)，W/m?K

A——接觸面積，m2

（t1-t2）——溫度差，℃

與之不同的是，電磁加熱使機(jī)筒自身發(fā)熱，加熱重心集中于機(jī)筒內(nèi)部，大大減少了因熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的能量損失。電磁加熱對于機(jī)筒溫度有更強(qiáng)的感知能力，當(dāng)熱電偶檢測到溫度到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)，傳遞信號至控制器立即停止輸出，而且控制器采用PID 來控制輸出功率，使其越接近設(shè)定溫度輸出功率越小，有效防止因超溫導(dǎo)致能量浪費(fèi)的現(xiàn)象。

3.4 防輻射測試

電磁加熱是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中常用的一種加熱方式。在電磁加熱過程中，電磁波會釋放出大量輻射，長時(shí)間處于高強(qiáng)度電磁輻射環(huán)境內(nèi)會造成人體視力下降、皮膚組織受損以及免疫功能下降等問題，那么電磁輻射的安全距離顯得至關(guān)重要［17?19］。國標(biāo)（GB 8702—2014）規(guī)定的電磁輻射限值與頻率有關(guān)，目前雙螺桿擠出機(jī)電磁加熱頻率大約為15 kHz 以下，磁感應(yīng)強(qiáng)度安全限制為0.8 μT。為了探究添加防輻射材料的重要性，開展了一項(xiàng)電磁加熱對比實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，我們選擇了兩個(gè)相同的雙螺桿機(jī)筒，一個(gè)添加了防輻射材料（一種鐵氧體材料，用于屏蔽電磁波），另一個(gè)則不添加，分別測量在10、20、30、40、50 cm 處的電磁輻射值，具體數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 防輻射實(shí)驗(yàn)Fig.11 Radiation protection experiments

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，防輻射材料對于電磁輻射的屏蔽效果非常顯著，尤其是離加熱設(shè)備10 cm處輻射值降低了94 %左右，基本達(dá)到人體安全范圍值。隨著測量距離的增加，未添加防輻射材料輻射值在大幅度減小，但是直到40 cm 處才基本符合人體安全范圍。與之相反的是，添加防輻射材料的設(shè)備在10 cm處已經(jīng)基本達(dá)到人體安全值，在20 cm 級以外距離基本無電磁輻射，表明距離加熱設(shè)備越遠(yuǎn)就越安全。防輻射材料的原理是因?yàn)榉垒椛洳牧暇哂休^高的電阻率和介電常數(shù)，可以形成一個(gè)以其為中心的電磁波減弱區(qū)平面，吸收電磁波并以熱能的形式散發(fā)，構(gòu)成吸收式低通濾波器，起到防護(hù)電磁輻射的作用。

此外，在實(shí)驗(yàn)過程中，我們還發(fā)現(xiàn)添加了防輻射材料的電磁加熱設(shè)備具有更好的耐用性和穩(wěn)定性。這是因?yàn)榉垒椛洳牧夏軌蛴行У販p少電磁波對設(shè)備的干擾，從而延長設(shè)備的使用壽命。綜上所述，添加防輻射材料的電磁加熱設(shè)備具有更好的加熱效果和更好的耐用性。在實(shí)際生產(chǎn)中，選擇添加防輻射材料的電磁加熱設(shè)備，不僅能夠保證生產(chǎn)效率，還能夠保障工人的健康和安全。

最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本與模擬分析相吻合，驗(yàn)證了該模型方案的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

（1）由于電磁加熱可以快速產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁場作用在機(jī)筒及法蘭內(nèi)部，從而迅速將金屬內(nèi)部加熱至所需要的溫度，加熱速度提升25 %以上，而且具有更高的控制精度及穩(wěn)定性。

（2）電磁加熱產(chǎn)生的熱量直接作用于加熱物體，幾乎不會產(chǎn)生浪費(fèi)熱量，因此其能源利用率高于傳統(tǒng)的鑄銅加熱方式，節(jié)能50 %以上。

（3）電磁加熱可通過控制電磁場的強(qiáng)度和頻率來調(diào)節(jié)加熱速度和加熱重心深度，操作方便，適用范圍更廣。

（4）電磁加熱設(shè)備添加防輻射涂層，保證在離設(shè)備表面10 cm處的電磁輻射符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)，屏蔽效果達(dá)到94.1 %，有效減少電磁波對設(shè)備的干擾，保障工人生命健康。